Nat. Materials|基于拉伸膨胀变色的液晶弹性体复色显示器

近日，美国和韩国的研究人员研发出了具有宽光谱颜色变化的弹性体，并且变色仅需很小的外界拉伸。这种具有超高泊松比的液晶弹性体具有从视觉显示到智能窗户的多种用途。

通常情况下，颜色是由于颜料对部分光谱的光具有吸收，而未被吸收的波长都会反射并成为人眼感知的颜色。但是，颜色同样可以由一些散射和反射光的特殊纳米级结构产生。在自然界，这种结构色广泛存在并且具有高亮度。

除了具有亮度更高的潜力外，结构色还具有优于颜料的其他优势。这是因为纳米结构更坚固、更持久，并且更环保。另外，纳米结构还可以被设计成散射不可见光，其中反射红外光的纳米结构具有冷却的潜在应用。

在结构色的多方研究中，其中一项挑战是如何创造可以改变颜色的结构色。一种可行方法是使材料机械变形。宾夕法尼亚大学研究人员 Shu Yang 表示，这种方法的问题在所需的外界拉伸力是很高的。例如，如果要将颜色从红色转变为蓝色，需要至少将典型的液晶弹性体拉伸至少 40%，在某些情况下甚至高达 70%。现在，Yang 的团队研发出一种弹性体，当拉伸小于 20% 时，这种弹性体可以从近红外波长到紫外波长发生颜色变化。该工作已被发表于Nature Materials。

压感变色显示器

为了创造结构色，该团队使用了手性向列的液晶弹性体。当制备这些弹性体时，化学掺杂剂会促使分子形成螺旋。这些螺旋产生了结构颜色，结构反射的波长取决于结构尺寸。如果材料被拉伸，螺旋会压缩并且材料的颜色会发生变化。

当实验中提高液晶弹性体中螺旋结构的均匀性以及颜色的均匀性时，研究人员最终制备出一种非常柔软的材料。实验结果证明，该弹性体具有超高的泊松比，即意味着当材料在一个方向上被拉伸时，材料在另一个面上的压缩很强。 因此，这里高泊松比材料能够在小应变下产生非常大的波长变化。

接下来，研究人员使用弹性体制造了一个显示器。他们 3D 打印了一个塑料底座，其中包含由空气通道连接的圆形空腔，然后在顶部密封一层新的弹性体，形成一系列彩色“像素”。将空气泵入通道会使弹性体膜膨胀，导致它们拉伸并改变它们反射的颜色。颜色可以通过改变 3D 打印底座中的腔体的压力和大小来控制。

结构色平台包括一个带有空气通道的底座、一个支撑层和一个手性向列主链液晶弹性体 (MCLCE) 的气动驱动膜。

实验结果表明，仅 9.6 kPa 的压力差就足以将像素反射的波长从近红外、红色、绿色和蓝色切换到紫外线。实验还演示了如何使用多个空气通道来激活像素组或单个像素，从而创建了数字倒计时等显示。

这种材料可用于除了显示器之外的变色软机器人和更多色彩。另外，由于这种材料在受到非常小的变形时会改变颜色，所以它可以用来制造温度、压力或机械传感器。最后，这种材料也适用于建造智能窗户，即随着环境温度的升高，反射更多的红外光。下一步，研究人员将探究是否可以利用空气的热致膨胀实现智能窗户的设想。